李 旗，謝陳鑫，錢光磊，任春燕

（中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津 300131）

0 引言

環(huán)保問題是國家始終強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)，而水資源污染問題與環(huán)保密切相關(guān)。石油煉化企業(yè)由于行業(yè)本身特點(diǎn)，生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)流程的特殊性，其產(chǎn)生的廢水中硫化物、酸化物等其他有害物質(zhì)種類復(fù)雜且含油較大[1]。雖然經(jīng)過隔油、氣浮、生化等環(huán)節(jié)，但出水化學(xué)需氧量（COD）還是很大。為解決該問題，在處理流程中，加入電催化氧化法來降解COD。以西門子PLC 1200 為主控器，配合觸摸屏進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)手動、自動控制，通過流程工藝程序控制實現(xiàn)各設(shè)備的相互動作配合，降低廢水COD，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)整體工藝設(shè)計

由于煉油廢水的B/C 值較低，水中氯離子濃度較高，根據(jù)《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31570-2015）[2]的規(guī)定，若要進(jìn)一步降低COD值，根據(jù)水的特質(zhì)，因此選用電催化氧化工藝除去COD并提高B/C值。工藝如圖1所示。

電催化氧化的機(jī)理主要是通過電極的作用，產(chǎn)生超氧自由基、羥基自由基、活性氯等活動機(jī)團(tuán)來氧化水體中的COD。而電催化的核心就是通過靈活控制交流整流設(shè)備對流動污水進(jìn)行電催化輸出直流電，利用具有電催化活性的稀有貴金屬電極在水中產(chǎn)生電催化氧化作用。由于在電催化反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體，使用軸流風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)，從而達(dá)到稀釋與快速排放的功能。另外系統(tǒng)長時間工作時，反應(yīng)器中會長生沉淀垢，利用自動定時排放與人工排放相結(jié)合的方式對其處理。

由于煉化產(chǎn)水量較大，為了達(dá)到相應(yīng)的處理能力，因此采用4套裝置，通過一個PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一控制。

圖1 工藝流程圖

圖2 控制系統(tǒng)組成

自控系統(tǒng)的整體設(shè)計以PLC 控制為核心，HMI作為人機(jī)交互接口，通過各儀表傳感器信號分析工況狀態(tài)，依靠程序邏輯對風(fēng)機(jī)、排污泵、直流柜和電動閥進(jìn)行控制，實現(xiàn)目標(biāo)邏輯功能。如圖2所示。

2 硬件組態(tài)

2.1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)主要由PLC與HMI組成，如圖3所示。PLC負(fù)責(zé)程序控制、數(shù)據(jù)存儲和邏輯判斷等功能，HMI 實現(xiàn)對裝置的運(yùn)行狀態(tài)、報警歷史、參數(shù)設(shè)定和手動調(diào)節(jié)等進(jìn)行反饋，便于操作者對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行把控。PLC 與HMMI 通過PROFINET 接口實現(xiàn)通信功能，同步域設(shè)置為Sync-Domain_1，MBP 域 設(shè) 置 為mrpdomain-1。PLC 的IP 地 址 為192.168.0.1，HMI 的IP 地址為192.168.0.2，為了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，且無其他設(shè)備網(wǎng)絡(luò)訪問要求，因此PLC在硬件組態(tài)設(shè)定中，關(guān)閉WEB服務(wù)器功能[3]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2.2 硬件選型

利用博途軟件，對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行組態(tài)，如圖4 所示。由于一套控制系統(tǒng)需要對4組電催化組合單元進(jìn)行控制，信號與控制點(diǎn)數(shù)量較多，因此使用PLC 加擴(kuò)展模塊的方式實現(xiàn)控制功能。博途硬件組態(tài)中，對每個模塊選型進(jìn)行說明。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

（1）單相電源。型號為SITOP modular，輸入交流120～-230 V，輸出直流24 V，電流范圍0～10 A。

（2）CPU 單元。型號為1214C DC/DC/DC，裝載存儲器容量為4 MB，保持性存儲器容量為10 kB。

（3）通信單元。型號為CB 1241 （RS485），用于modbus通信的通信卡，其安裝在CPU卡槽中。

（4）數(shù)字I/O擴(kuò)展單元。型號為SM 1223與1221，作為光耦隔離輸入輸出模塊，可組態(tài)輸入延時。

（5）模擬I/O 擴(kuò)展單元。型號為SM 1234，輸出0～20 mA，診斷可組態(tài)，可選擇頻率抑制與濾波。

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

PLC 程序設(shè)計是使用博途V14 軟件編寫，OB 模塊有主程序（main）、啟動程序（startup）與循環(huán)中斷程序（Cyclic interrupt），配合其他獨(dú)立功能的函數(shù)（FC）進(jìn)行具體邏輯控制。如圖5所示。

圖5 程序組成

具體程序設(shè)計，首先對每一個功能建立功能塊（FB）及其數(shù)據(jù)塊（DB），包括實現(xiàn)功能需要的內(nèi)部變量與全局變量；其次，對每一個功能塊進(jìn)行獨(dú)立編程，實現(xiàn)各功能獨(dú)立，在組織塊（OB1）中用對應(yīng)的指令調(diào)用各功能塊，從而提高CPU的執(zhí)行效率，便于后期調(diào)試與二次功能改進(jìn)[4]。

總體PLC程序設(shè)計主要分3個部分：手動模式部分，自動模式部分，待機(jī)部分。

3.1.1 手動模式部分

手動模式即各執(zhí)行設(shè)備，諸如泵、風(fēng)機(jī)、直流柜等設(shè)備的手動啟停，其運(yùn)行條件僅受系統(tǒng)急停狀態(tài)與設(shè)備自身故障制約，而不因其他控制邏輯所影響。該模式多用于安裝初期調(diào)試，設(shè)備維修等場合。

3.1.2 自動模式部分

自動模式部分作為程序的主要部分，實現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)各輸入信號反饋，進(jìn)行邏輯分析與判斷，并對控制設(shè)備進(jìn)行合理操作的功能。這里使用了模塊化編程的思想，面向?qū)ο筮M(jìn)行編程[5]，下面對幾個主要的邏輯控制進(jìn)行闡述。

（1）系統(tǒng)急停邏輯。作為保障整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵部分，監(jiān)控各儀表設(shè)備的運(yùn)行狀況，當(dāng)發(fā)生緊急情況時，系統(tǒng)進(jìn)入急停狀態(tài)，此狀態(tài)下系統(tǒng)控制的任何設(shè)備都處于關(guān)閉狀態(tài)，同時在觸摸屏上限制相關(guān)信息，并通過modbus將該信息發(fā)送給DCS。涉及到的緊急情況主要包括控制柜的急停按鈕被按下，儀表測量數(shù)值超過預(yù)設(shè)的正常范圍區(qū)間，關(guān)鍵的設(shè)備出現(xiàn)故障（如過熱保護(hù)與過載保護(hù)），以及因為外部原因?qū)е戮o急關(guān)斷信號被觸發(fā)等。

（2）電催化邏輯。煉油廢水進(jìn)入系統(tǒng)后，通過流量傳感的流量反饋進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍時，直流柜與風(fēng)機(jī)同時工作，直流柜負(fù)責(zé)輸出直流電到電催化反應(yīng)極板，風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將電催化過程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行稀釋與排放功能。

（3）催化電極自動換相邏輯。固定在反應(yīng)器中的電極板，由于長時間加直流電進(jìn)行電催化反應(yīng)，會在極板上產(chǎn)生垢，這就需要定期對電極板的正負(fù)極進(jìn)行換相，從而實現(xiàn)脫垢的功能。具體換相邏輯：直流柜自動運(yùn)行時進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部計時，當(dāng)該計時達(dá)到預(yù)設(shè)時間時，直流柜暫停輸出，延時一段時間（可設(shè)定，通常為1 min），PLC的換相輸出點(diǎn)動作，將信號傳遞給直流柜，直流柜的換相接觸器動作，當(dāng)動作經(jīng)傳感器檢測可靠完成后，直流柜恢復(fù)輸出，系統(tǒng)國內(nèi)部計時清零并重新計時。

（4）廢渣自動排放邏輯。通過電極自動換相邏輯而分離出的污垢，經(jīng)一段時間沉淀后，會堆積在反應(yīng)器底部，這就需要定時對其進(jìn)行排垢，否則會嚴(yán)重影響電催化反應(yīng)效率甚至造成管線堵塞。排放流程：系統(tǒng)工作時間達(dá)到預(yù)設(shè)計時，位于反應(yīng)器底部的電動閥打開，當(dāng)PLC 獲得電動閥打開反饋后，排放泵運(yùn)行，持續(xù)一段時間后，排放泵與電動閥關(guān)閉。自動模式下的主要運(yùn)行邏輯如圖6所示。

圖6 自動邏輯組成與實現(xiàn)

3.1.3 待機(jī)部分

電催化裝置系統(tǒng)在運(yùn)行過程中雖然會通過廢渣自動排放邏輯進(jìn)行自我清理，但長時間運(yùn)行后仍然會產(chǎn)生在電極板上無法脫落的污垢。因此設(shè)備需要定期停機(jī)進(jìn)行電極板清洗工作。由于反應(yīng)器密封，無法直接對電極板進(jìn)行人工清理，因此需要在待機(jī)模式下通過自動清洗邏輯，向反應(yīng)器中加入清洗藥劑進(jìn)行維護(hù)工作。清洗流程為將電動閥關(guān)閉，藥劑泵將清洗藥劑注入反應(yīng)器中進(jìn)行浸泡預(yù)設(shè)時間，然后沖洗，作為一個周期，一次清洗需要若干個浸泡與沖洗的循環(huán)周期，其中浸泡時間與沖洗時間均可人工設(shè)定。往往一套完整的清洗流程用時較長，HMI 將各種清洗參數(shù)顯示出來，這樣有利于定期巡檢人員可觀察到當(dāng)前的清洗狀態(tài)。

3.2 HMI程序設(shè)計

HMI 采用西門子精簡觸摸屏TP1200，通過博途軟件來組態(tài)，實現(xiàn)操作和監(jiān)視PLC的功能[6]。觸摸屏設(shè)計主要分為流程顯示、參數(shù)設(shè)定、故障反饋、數(shù)據(jù)記錄以及藥劑清洗界面。具體如下。

（1）流程顯示。如圖7 所示作為主要運(yùn)行界面，直觀反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 流程畫面

（2）參數(shù)設(shè)定。儀表校準(zhǔn)，為對不同儀表的信號值進(jìn)行整定，方便儀表更換后的校準(zhǔn)工作；自控邏輯的相關(guān)參數(shù)主要有直流柜的輸出幅值、換相時間設(shè)定、排渣邏輯的時間設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

（3）故障反饋。將PLC 中產(chǎn)生的各種非正?，F(xiàn)象通過對應(yīng)的ID號反饋在界面上，如圖8所示。

圖8 告警設(shè)定頁面

圖9 數(shù)據(jù)趨勢畫面

（4）數(shù)據(jù)記錄。作為藥劑清洗的依據(jù)，通過觀察直流柜的輸出電流、電壓值，了解電極板的運(yùn)行情況，從而合理安排藥劑清洗電極板。如圖9所示。

（5）藥劑清洗。如圖10所示，4套電極板分為2組，每次系統(tǒng)運(yùn)行只啟動一組，另一座可熱備或者進(jìn)行清洗操作，這樣不會影響日常的電催化流程。

圖10 清洗畫面

4 通信設(shè)計

通過安裝在PLC上的板載通信模塊，實現(xiàn)modbus通信[7]。在main 程序中，添加MB_COMM_LOAD 功能塊對其初始化，然后通過添加MB_SLAVE 作為從機(jī)模式相應(yīng)主機(jī)對其的指令。如圖11 所示。這里端口275 為PLC 硬件組態(tài)時對擴(kuò)展端口的指定，波特率設(shè)定為9 600，無奇偶校驗。將PLC內(nèi)部存儲器M2000 開始的100 個字作為映射地址（例如40001 對應(yīng)的MB2000），這100 個字集成了系統(tǒng)內(nèi)所有的狀態(tài)，便于DCS讀取。

圖11 modus設(shè)定

5 結(jié)束語

本裝置在西門子博途編程平臺下完成了基于Profinet[8]連接的觸摸屏與PLC，通過IO 接口對執(zhí)行元件進(jìn)行互聯(lián)，智能、高效地對生活污水進(jìn)行電催化處理，從而有效降低污水中的化學(xué)需氧量（COD）。通過實際運(yùn)行可證明，該生活污水自動處理裝置高效、可靠地實現(xiàn)煉化污水的處理任務(wù)，達(dá)到排放要求，功能完整，該設(shè)備易于操作維護(hù)、運(yùn)行穩(wěn)定，已在多個煉化廠中推廣使用。